DE10047705A1 - Microvalve for controlling fluid flows, has electrostatic comb drive with two comb structures coupled to valve housing and valve element with mutually engaged sets of electrodes - Google Patents
Microvalve for controlling fluid flows, has electrostatic comb drive with two comb structures coupled to valve housing and valve element with mutually engaged sets of electrodesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroventil zur Steuerung von Flu idströmen, mit mindestens einem Ventilglied, zu dessen Betä tigung auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende An triebsmittel vorhanden sind.The invention relates to a micro valve for controlling flu flow, with at least one valve member, for its actuation Application based on electrostatic principle propellants are available.
Ein Mikroventil dieser Art geht beispielsweise aus der EP 0 485 739 B1 hervor. Das bekannte Mikroventil hat einen Aufbau in Silizium-Mikrotechnik, wobei ein plattenartiges Ventilglied zwischen zwei Gehäuseschichten plaziert ist und durch zwei auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebe relativ zu mehreren Ventilöffnungen bewegbar ist, um durch geeignete Positionierung eine bedarfsgemäße Steuerung von Fluidströmen zu erhalten. Jeder Antrieb besteht aus zwei zueinander parallelen Elektroden zum einen am Ventilglied und zum anderen am Ventilgehäuse, wobei durch Anlegen einer Po tentialdifferenz eine Stellkraft rechtwinkelig zur Ausdeh nungsebene der Elektroden erzeugt wird, die das Ventilglied in der entsprechenden Richtung auslenkt.A microvalve of this type is, for example, from the EP 0 485 739 B1. The known micro valve has one Structure in silicon micro technology, with a plate-like Valve member is placed between two housing layers and by two based on electrostatic principle Drives is movable relative to multiple valve openings a suitable control by appropriate positioning to get from fluid flows. Each drive consists of two mutually parallel electrodes on the one hand on the valve member and on the other hand on the valve housing, whereby by creating a Po tentialdifference a positioning force perpendicular to the expansion voltage level of the electrodes is generated, the valve member deflects in the corresponding direction.
Ein Nachteil des bekannten Mikroventils besteht darin, daß es zum Erhalt ausreichend hoher Betätigungskräfte mit relativ hohen Ansteuerspannungen gespeist werden muss. Aus sicher heitstechnischen und auch aus gesetzgeberischen Gründen müssen daher geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden, die ei ne weitere Verringerung der Baugröße des Mikroventils verhin dern. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrostatisch betätigbares Mikroventil der eingangs ge nannten Art zu schaffen, das ohne Beeinträchtigung der er zielbaren Betätigungskräfte eine weitere Verringerung der Ab messungen zulässt.A disadvantage of the known microvalve is that it to obtain sufficiently high actuation forces with relative high control voltages must be fed. For sure technical and also for legislative reasons therefore suitable protective measures are taken, the egg ne further reduction in the size of the microvalve countries. It is therefore the object of the present invention an electrostatically actuated micro valve of the beginning ge called to create that without affecting the he targeted actuation forces a further reduction in Ab allows measurements.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Mikroventil, dessen auf einem elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebs mittel sich dadurch auszeichnen, daß sie mindestens einen so genannten Comb-Drive-Antrieb enthalten.This task is solved by a micro valve whose on based on an electrostatic operating principle medium are characterized in that they have at least one like this Comb Drive Drive included.
Comb-Drive-Antriebe zeichnen sich üblicherweise durch zwei jeweils eine Elektrodenfunktion übernehmende Kammstrukturen aus, die ähnlichen einer Verzahnung ineinander eingreifen. Bei Anlegen einer Potentialdifferenz entstehen resultierende Kräfte, die dazu tendieren, die Kammstrukturen ineinander zu ziehen. Eine grundsätzliche Darlegung der Funktionsweise der artiger Antriebe geht aus dem Artikel "Comb-drive actuators for large displacements", Rob Legtenberg, A. W. Groeneveld, M. Elwenspoek, J. Micromech. Microeng. 6 (1996), Seiten 320-329 oder aus dem Artikel "Electrophysics of Micromechanical Comb Actuators", William A. Johnson, Larry K. Warne, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 4, No. 1, March 1995, hervor.Comb-drive drives are usually characterized by two comb structures each taking over an electrode function, which mesh with one another in a similar way to a toothing. When a potential difference is applied, the resulting forces tend to pull the comb structures into one another. A basic explanation of the functioning of the like drives is given in the article "Comb-drive actuators for large displacements", Rob Legtenberg, AW Groeneveld, M. Elwenspoek, J. Micromech. Microeng. 6 ( 1996 ), pages 320-329 or from the article "Electrophysics of Micromechanical Comb Actuators", William A. Johnson, Larry K. Warne, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 1, March 1995 .
Durch die Verknüpfung eines derartigen Comb-Drive-Antriebes mit einem pneumatischen oder hydraulischen Mikroventil ergibt sich der Vorteil, daß innerhalb eines sehr kompakten Volumens eine sehr große Elektrodenfläche zur Verfügung gestellt wer den kann, die auch bei kleinen Ansteuerspannungen ausreichend hohe Betätigungskräfte liefert, um die gewünschte Funktion des Mikroventils zu gewährleisten. Auf diese Weise erübrigen sich die bei den bisher üblichen höheren Ansteuerspannungen erforderlichen Schutzmaßnahmen und man kann ein Mikroventil ohne weiteres mit Spannungen betreiben, die die Grenze von 60 Volt nicht übersteigen, welche in der Bundesrepublik Deutsch land als Grenzwert für die Anwendung der gesetzlichen Nieder spannungsverordnung gilt. Indem aber der für Schutzmaßnahmen erforderliche konstruktive Aufwand reduziert werden kann, lässt sich gleichzeitig die Baugröße des Mikroventil minimie ren. Auch kann vielfach auf besondere Ansteuerschaltungen verzichtet werden, die die Anhebung der zur Verfügung stehen den Spannung auf eine notwendige Ansteuerspannung bewirken.By linking such a comb drive drive with a pneumatic or hydraulic micro valve the advantage is that within a very compact volume a very large electrode area is made available to anyone that can, which is sufficient even with small control voltages delivers high operating forces to the desired function to ensure the microvalve. This way you don't have to the at the usual higher control voltages necessary protective measures and you can use a microvalve operate easily with voltages that exceed the 60 volt limit not exceed which in the Federal Republic of German country as a limit for the application of the legal low voltage regulation applies. But by that for protective measures required design effort can be reduced, the size of the microvalve can be minimized at the same time ren. In many cases, special control circuits be waived, which are raising the available cause the voltage to a necessary control voltage.
Zwar wurden Comb-Drive-Antriebe gemäß den zuvor erwähnten Ar tikeln auch schon in Verbindung mit mikromechanischen Anwen dungen realisiert. Dort stand jedoch, wie schon der Titel des einen Artikels aussagt, die Erzeugung relativ großer Betäti gungswege im Vordergrund, während es bei dem erfindungsgemä ßen Mikroventil vorwiegend darum geht, die Baugröße zu redu zieren. Für einen Fachmann war es daher nicht naheliegend, ein Mikroventil mit einem Comb-Drive-Antrieb auszustatten.Comb-drive drives were indeed in accordance with the previously mentioned Ar already in connection with micromechanical applications realized. However, like the title of the an article says the production of relatively large actuations supply routes in the foreground, while it is in the inventive The main purpose of the micro valve is to reduce the size adorn. It was therefore not obvious to a specialist to equip a microvalve with a comb-drive actuator.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Un teransprüchen hervor. Advantageous developments of the invention go from the Un claims.
Während die Elektroden der in dem Artikel "Comb-drive actua tors for large displacements" beschriebenen Kammstrukturen fingerartig ausgebildet sind, ist bei einem besonders vor teilhaften Aufbau des Mikroventils vorgesehen, Elektroden mit plattenartiger Gestalt einzusetzen. Die für die Erzeugung der Betätigungskraft erforderliche Elektrodenfläche kann somit durch konstruktiv einfache Maßnahmen sehr groß gewählt wer den.While the electrodes of the "Comb-drive actua tors for large displacements "described comb structures are finger-shaped, is particularly in one partial construction of the microvalve provided electrodes with to use plate-like shape. The for the generation of the Actuating force required electrode area can thus very large through constructively simple measures the.
Bei einem bevorzugten Aufbau des Mikroventils sind die die Elektroden des Comb-Drive-Antriebes enthaltenden Kammstruktu ren zweckmäßigerweise jeweils als einstückiger Bestandteil des Ventilgliedes bzw. des Ventilgehäuses des Mikroventils ausgeführt. In diesem Zusammenhang ist daran gedacht, eine Formgebung aus Kunststoffmaterial in Spritzgusstechnik vorzu nehmen, was eine sehr große Formenvielfalt bietet und relativ einfach mit geeignetem Design optimale Voraussetzungen für eine fluidtechnische Anwendung bietet.In a preferred construction of the microvalve, they are the most Comb structure drive electrodes containing comb structure Ren expediently each as an integral part of the valve member or the valve housing of the microvalve executed. In this context, it is thought of a Shaping from plastic material using injection molding technology take what offers a very large variety of shapes and relative simply with suitable design optimal conditions for offers a fluid power application.
Aus fertigungstechnischen Gründen wäre es allerdings auch möglich, die Kammstrukturen separat vom zugehörigen Träger - zum einen dem Ventilglied und zum anderen dem Ventilgehäuse - zu fertigen und als separate Einheit an diesem Träger zu fi xieren.For manufacturing reasons, it would also be possible to separate the comb structures from the associated carrier - on the one hand the valve member and on the other hand the valve housing - to manufacture and fi as a separate unit on this carrier Xieren.
Insgesamt hat eine Realisierung aus Kunststoffmaterial den Vorteil, daß durch eine geeignete Metallisierung sowohl die elektrischen Leitungswege als auch die Elektrodenflächen sehr einfach hergestellt werden können.Overall, a realization made of plastic material Advantage that both the electrical conduction paths as well as the electrode surfaces very much can be easily manufactured.
Das Mikroventil kann beispielsweise in MID-Technologie (MOLDED INTERCONNECT DEVICE) realisiert werden. Auch das so genannte LIGA-Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem eine Kombination aus Lithografie, Galvanoumformung und Abformtechnik zur Anwendung gelangt.The microvalve can use MID technology, for example (MOLDED INTERCONNECT DEVICE). That too the LIGA process mentioned can advantageously be used, where a combination of lithography, electroforming and impression technology is used.
Das Mikroventil kann beispielsweise nur einen Comb-Drive- Antrieb enthalten, wobei aber durchaus auch die gleichzeitige Realisierung mehrerer Comb-Drive-Antriebe möglich ist. Bei einer Mehrfachanordnung kann vorgesehen sein, die Antriebe entweder gleichzeitig zu betreiben, um eine weitere Erhöhung der Betätigungskräfte zu erzielen, oder eine alternative Be tätigung vorzunehmen, um eine Auslenkung des Ventilgliedes in unterschiedliche Richtungen aktiv hervorzurufen.For example, the microvalve can only have one comb drive Drive included, but also the simultaneous Realization of several comb drive drives is possible. at A multiple arrangement can be provided for the drives either operate simultaneously to further increase to achieve the actuation forces, or an alternative loading to make an actuation in order to deflect the valve member to actively induce different directions.
Wenngleich das Mikroventil ohne weiteres über ein Ventilglied verfügen kann, dessen Steuerbewegung eine lineare translato rische Bewegung ist, empfiehlt sich der Einsatz des Comb- Drive-Antriebes vor allem in Kombination mit einer Ventilbau form, bei der das Ventilglied als Steuerbewegung eine Schwenkbewegung ausführt. Hierzu kann das Ventilglied an ei nem Ende fest eingespannt sein oder insbesondere an einer La gerstelle nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert sein, wo bei mindestens einem der Ventilgliedarme mindestens ein Comb- Drive-Antrieb zugeordnet ist. Jedem Ventilgliedarm können ein oder mehrere Comb-Drive-Antriebe zugeordnet sein. Im Falle der Mehrfachanordnung können sich die Comb-Drive-Antriebe in Bewegungsrichtung überlappen, was zu einer weiteren Verringe rung der Abmessungen bei einer erhöhten Leistungsdichte führt.Although the microvalve is easily via a valve member can have, whose control movement is a linear translato movement is recommended, the use of the comb Drive actuator especially in combination with a valve construction form, in which the valve member as a control movement Pivots. For this purpose, the valve member on egg be firmly clamped at the end or in particular on a la gerstelle be pivoted like a seesaw, where at least one comb- Drive drive is assigned. Each valve link arm can be one or several Comb Drive drives can be assigned. In the event of Due to the multiple arrangement, the comb-drive drives can Direction of movement overlap, resulting in further ringing dimensions with an increased power density leads.
Um eine definierte Ausgangsstellung des Ventilgliedes hervor zurufen, können geeignete Federmittel vorhanden sein, die zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgehäuse wirksam sind.To a defined starting position of the valve member shouting, there may be suitable spring means that are effective between the valve member and the valve housing.
Um eine Verunreinigung der Elektroden zu vermeiden und da durch besonders kleine Spaltbreiten zwischen benachbarten Elektrodenflächen zu ermöglichen, kann der Comb-Drive-Antrieb außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchströmten Bereichen des Ventilgehäuses angeordnet sein.To avoid contamination of the electrodes and there due to particularly small gap widths between neighboring ones The comb drive can enable electrode surfaces outside the areas through which the fluid to be controlled flows of the valve housing.
Ein besonders vorteilhafter Aufbau ergibt sich bei einem Mik roventil, dessen Ventilglied längliche Gestalt hat. Hier kön nen die Elektroden des Comb-Drive-Antriebes so angeordnet und ausgerichtet werden, daß sie in Längsrichtung des Ventilglie des verlaufen, woraus eine besonders große wirksame Elektro denfläche resultiert.A particularly advantageous construction results with a mic roventil, whose valve member has an elongated shape. Here you can the electrodes of the comb drive are arranged and be aligned so that they are in the longitudinal direction of the valve of the run, making a particularly large effective electric area results.
Die erfindungsgemäße Antriebstechnik lässt sich bei praktisch jedem Mikroventil einsetzen, unabhängig von der jeweiligen Funktionalität. Beispielsweise kann das Mikroventil ein 3/2- Wegeventil sein.The drive technology according to the invention can be practically use each microvalve, regardless of the particular one Functionality. For example, the microvalve can be a 3 / 2- Be a directional valve.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich nung näher erläutert. In dieser zeigen: The invention based on the accompanying drawing tion explained in more detail. In this show:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroventils in schematischer Darstellung in teil weise geschnittener Seitenansicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil I aus Fig. 2, Fig. 1 a first embodiment of the microvalve according to the invention in a schematic representation in a partially sectioned side view looking in the direction of arrow I in FIG. 2,
Fig. 2 eine Stirnansicht des Mikroventils aus Fig. 1, teilweise im Querschnitt, mit Blickrichtung gemäß Pfeil II, wiederum stark schematisiert, Fig. 2 is an end view of the microvalve of FIG. 1, partially in section, looking in the direction according to arrow II, in turn, highly schematically,
Fig. 3 das Mikroventil gemäß Fig. 1 und 2 im Längs schnitt gemäß Schnittlinie III-III aus Fig. 1 und 2 in schematischer Darstellung und Fig. 3 shows the microvalve according to FIGS. 1 and 2 in longitudinal section along section line III-III of Fig. 1 and 2 in a schematic representation and
Fig. 4 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellungs weise einen Detailausschnitt einer weiteren Ausfüh rungsform des Mikroventils, bei dem die Antriebs mittel von den gesteuerten Fluidströmen getrennt untergebracht sind. Fig. 4 in one of the Fig. 3 corresponding representation, a detail of a further embodiment of the microvalve, in which the drive means are housed separately from the controlled fluid flows.
Das in Fig. 1 bis 3 schematisch illustrierte Mikroventil 1 verfügt über ein Ventilgehäuse 2, das einen Innenraum 3 defi niert.The microvalve 1 schematically illustrated in FIGS. 1 to 3 has a valve housing 2 which defines an interior 3 .
In den Innenraum 3 münden mehrere die Wandung des Ventilge häuses 2 durchsetzende Ventilkanäle 4, wobei es sich beim Ausführungsbeispiel um drei Ventilkanäle 4 handelt, da das Mikroventil hier exemplarisch in Gestalt eines 3/2-Wegeventils abgebildet ist. Die Anzahl der Ventilkanäle 4 vari iert in Abhängigkeit vom Ventiltyp.In the interior 3 open several the wall of the Ventilge housing 2 penetrating valve channels 4 , which are three valve channels 4 in the exemplary embodiment, since the microvalve is shown here by way of example in the form of a 3/2-way valve. The number of valve channels 4 varies depending on the valve type.
Das Mikroventil 1 dient zur Steuerung von Fluidströmen, bei spielsweise von hydraulischen und vorzugsweise von pneumati schen Medien. Zu diesem Zweck verfügt es über mindestens ein und beim Ausführungsbeispiel über genau ein Ventilglied 5, das in bezüglich dem Ventilgehäuse 2 beweglicher Weise in dem Innenraum 3 untergebracht ist.The microvalve 1 is used to control fluid flows, for example hydraulic and preferably pneumatic media. For this purpose, it has at least one and in the exemplary embodiment exactly one valve member 5 , which is accommodated in the interior 3 in a manner that is movable with respect to the valve housing 2 .
Die Steuerung der Fluidströme erfolgt beim Ausführungsbei spiel durch Steuerung des zur Verfügung gestellten Strömungs querschnittes zweier der Ventilkanäle 4. Es sind dies ein als Speisekanal 4a und ein als Entlüftungskanal 4b ausgebildeter Ventilkanal 4. Hingegen kommuniziert der dritte, als Arbeits kanal 4c ausgebildete Ventilkanal 4 ständig mit dem Innenraum 3.The control of the fluid flows takes place in the exemplary embodiment by controlling the flow cross-section provided of two of the valve channels 4 . These are a valve channel 4 designed as a feed channel 4 a and a ventilation channel 4 b. On the other hand constantly communicates the third, c as a working channel 4 formed valve channel 4 with the interior space. 3
Der Speisekanal 4a und der Entlüftungskanal 4b münden jeweils mit einer Ventilöffnung 6a, 6b in den Innenraum 3 ein. Sie sind zweckmäßigerweise jeweils von einem ringförmigen Ventil sitz 7 umgeben.The feed channel 4 a and the ventilation channel 4 b each open into the interior 3 with a valve opening 6 a, 6 b. You are expediently surrounded by an annular valve seat 7 .
Jeder Ventilöffnung 6a, 6b liegt eine Verschlusspartie 8a, 8b gegenüber. Diese Verschlusspartien 8a, 8b sind an dem Ventil glied 5 vorgesehen. Durch entsprechende Bewegung des Ventil gliedes 5 lässt sich der Abstand zwischen den einander zuge ordneten Ventilöffnungen und Verschlusspartien 6a, 8a; 6b, 8b variieren, insbesondere um entweder einen maximalen Strömungsquerschnitt freizugeben oder um den betreffenden Ventil kanal komplett abzusperren. Dabei kann je nach Ausgestaltung eine digitale Schaltfunktion oder eine stetige Steuerfunktion realisiert werden.Each valve opening 6 a, 6 b is opposite a closure section 8 a, 8 b. These closure parts 8 a, 8 b are provided on the valve member 5 . By appropriate movement of the valve member 5 , the distance between the associated valve openings and closure parts 6 a, 8 a; 6 b, 8 b vary, in particular to either release a maximum flow cross section or to completely shut off the valve channel in question. Depending on the configuration, a digital switching function or a continuous control function can be implemented.
Bei dem als Schaltventil ausgebildeten Mikroventil 1 des Aus führungsbeispiels lassen sich durch Betätigung des Ventil gliedes 5 die beiden Ventilöffnungen 6a, 6b abwechselnd öff nen und verschließen, wobei die jeweils freigegebene Ventil öffnung eine Fluidverbindung zwischen dem zugeordneten Spei sekanal 4a oder Entlüftungskanal 4b mit dem Arbeitskanal 4c ermöglicht, um einen an den Arbeitskanal 4c angeschlossenen Verbraucher mit Druckmedium zu versorgen oder Druckmedium von diesem abzuführen. Die Fluidströmung findet dabei durch den Innenraum 3 hinweg statt.In the micro valve 1 designed as a switching valve from the exemplary embodiment, the two valve openings 6 a, 6 b can be alternately opened and closed by actuating the valve member 5 , the respectively released valve opening establishing a fluid connection between the associated feed channel 4 a or ventilation channel 4 b with the working channel 4 c enables to supply a consumer connected to the working channel 4 c with pressure medium or to discharge pressure medium from the latter. The fluid flow takes place through the interior 3 .
Zur Betätigung des Ventilgliedes 5 sind auf elektrostatischem Funktionsprinzip basierende Antriebsmittel 12 vorhanden. Da bei wird durch Anlegen einer Spannung an sich gegenüberlie gende Elektroden ein elektrisches Feld generiert, das eine Betätigungskraft B hervorruft, die zum Umschalten bzw. Bewe gen des Ventilgliedes 5 ausreicht. In Fig. 1 sind strich punktiert zwei von der Außenseite des Ventilgehäuses 2 her zugängliche elektrische Anschlüsse 13 ersichtlich, die ver wendbar sind, um die erforderliche Spannung anzulegen.To actuate the valve member 5 , drive means 12 based on the electrostatic functional principle are present. Since an electric field is generated by applying a voltage to electrodes lying opposite each other, which produces an actuating force B which is sufficient for switching or moving the valve member 5 . In Fig. 1 dash-dotted two accessible from the outside of the valve housing 2 ago electrical connections 13 can be seen, which can be used ver to apply the required voltage.
Das Mikroventil 1 zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß es sich bei Bedarf mit sehr kompakten Abmessungen reali sieren lässt. Hierfür verantwortlich sind vor allem die Antriebsmittel 12, die beim Ausführungsbeispiel von zwei Comb- Drive-Antrieben 14a, 14b gebildet sind. Diese haben den Vor teil, daß sie innerhalb eines relativ kleinen Volumens eine hohe wirksame Elektrodenfläche zur Verfügung stellen können, so daß bereits mit geringen Ansteuerspannungen hohe Betäti gungskräfte realisierbar sind. Auf diese Weise erübrigen sich aufwendige elektrotechnische Schutzmaßnahmen hinsichtlich der elektrisch leitenden Bestandteile des Mikroventils, was ins gesamt die Möglichkeit für geringe Ventilabmessungen schafft.The microvalve 1 is characterized, among other things, by the fact that it can be realized with very compact dimensions if required. This is primarily due to the drive means 12 , which in the exemplary embodiment are formed by two comb-drive drives 14 a, 14 b. These have the part before that they can provide a high effective electrode area within a relatively small volume, so that high actuation forces can be realized even with low control voltages. In this way, there is no need for complex electrical protection measures with regard to the electrically conductive components of the microvalve, which in total creates the possibility for small valve dimensions.
Die beiden Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b des Ausführungsbei spiels sind technisch identisch ausgeführt, können allerdings wie abgebildet über unterschiedliche Abmessungen verfügen, was insbesondere vom Anbringungsort am Ventilglied 5 abhängt.The two comb-drive drives 14 a, 14 b of the exemplary embodiment are technically identical, but can have different dimensions as shown, which depends in particular on the location on the valve member 5 .
Wie insbesondere auch aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, besitzt jeder Comb-Drive-Antrieb eine gehäusefeste erste Kammstruktur 15 mit einer Schar zueinander beabstandeter, Seite an Seite nebeneinander angeordneter erster Elektroden 17. Die Elektro den 17 ragen jeweils ausgehend vom Ventilgehäuse 2 in Rich tung zum Ventilglied 5. Das Ventilglied 5 seinerseits ist mit einer der ersten Kammstruktur 15 gegenüberliegenden zweiten Kammstruktur 16 ausgestattet, die eine Schar ebenfalls mit Abstand Seite an Seite nebeneinander angeordneter zweiter Elektroden 18 aufweist. Diese zweiten Elektroden 18 ragen ausgehend vom Ventilglied 5 hin zur Wandung des Ventilgehäu ses 2. As can also be seen in particular from FIGS. 2 and 3, each comb-drive drive has a first comb structure 15 fixed to the housing with a family of first electrodes 17 spaced apart from one another and arranged side by side. The electrical 17 protrude from the valve housing 2 in Rich direction to the valve member 5th The valve member 5 in turn is equipped with a second comb structure 16 opposite the first comb structure 15 , which also has a family of second electrodes 18 arranged side by side at a distance from one another. These second electrodes 18 protrude from the valve member 5 towards the wall of the Ventilgehäu ses 2nd
Von einer Kammstruktur wird hier gesprochen, weil sich in Stirnansicht gemäß Fig. 2 gesehen eine kammartige Anordnung der Elektroden 17, 18 ergibt.A comb structure is referred to here because, when viewed in the end view according to FIG. 2, there is a comb-like arrangement of the electrodes 17 , 18 .
Die beiden Kammstrukturen 15, 16 eines jeweiligen Comb-Drive- Antriebes 14a, 14b liegen einander in der durch Doppelpfeil angedeuteten gewünschten Bewegungsrichtung 22 des Ventilglie des 5 gegenüber, wobei sie mit ihren Elektroden 17, 18, mit dem freien Ende voraus, ähnlich einer Verzahnung ineinander eingreifen, ohne sich allerdings zu berühren.The two comb structures 15 , 16 of a respective comb-drive drive 14 a, 14 b lie opposite one another in the desired direction of movement 22 of the valve element 5 indicated by the double arrow, with their electrodes 17 , 18 , with the free end ahead, similar mesh with one another without touching each other.
Um die von den Außenflächen der Elektroden 17, 18 gebildeten Elektrodenflächen möglichst groß zu gestalten, sind die Elektroden 17, 18 vorzugsweise plattenartig ausgebildet. In nerhalb einer jeweiligen Kammstruktur 15, 16 sind die Elekt roden 17, 18 dabei so angeordnet, daß ihre Hauptausdehnungs ebenen 25, 26 parallel zueinander verlaufen. Gleichzeitig sind auch die Hauptausdehnungsebenen beider Kammstrukturen 15, 16 parallel zueinander. Der gegenseitige Elektrodenein griff erfolgt derart, daß - abgesehen von der jeweils zu äu ßerst angeordneten Elektrode - jede Elektrode der einen Kamm struktur zwischen zwei Elektroden der anderen Kammstruktur eingreift.In order to make the electrode surfaces formed by the outer surfaces of the electrodes 17 , 18 as large as possible, the electrodes 17 , 18 are preferably of plate-like design. In a respective comb structure 15 , 16 , the electric electrodes 17 , 18 are arranged so that their main expansion planes 25 , 26 run parallel to one another. At the same time, the main expansion planes of both comb structures 15 , 16 are parallel to one another. The mutual electrode engagement took place in such a way that - apart from the extremely arranged electrode in each case - each electrode of one comb structure engages between two electrodes of the other comb structure.
Aus Gründen der Steifigkeit und der besseren Herstellbarkeit kann die Form der Kammstrukturen 15, 16 auch von der oben be schriebenen abweichen, zum Beispiel können Sicken eingebracht oder eine leicht wellige Struktur vorhanden sein. Es muß nur gewährleistet werden, daß der Elektrodeneingriff sich im ent sprechenden Toleranzfenster bewegt.For reasons of rigidity and better producibility, the shape of the comb structures 15 , 16 can also differ from the one described above, for example beads can be introduced or a slightly wavy structure can be present. It only has to be ensured that the electrode engagement moves in the corresponding tolerance window.
Um die weitere Erläuterung zu vereinfachen, sei nachfolgend die strichpunktiert angedeutete Richtung des Wegragens der Elektroden 17, 18 vom zugeordneten Ventilgehäuse 2 bzw. Ven tilglied 5, die mit der gewünschten Bewegungsrichtung 22 zu sammenfällt, als Höhenrichtung 27 bezeichnet. Diese liegt in oder verläuft parallel zu den Hauptausdehnungsebenen 25, 26. Die Kammstrukturen 15, 16 greifen in Höhenrichtung 27 der E lektroden 17, 18 ineinander ein.In order to simplify the further explanation, the dash-dotted direction of the electrodes 17 , 18 protruding from the associated valve housing 2 or valve member 5 , which coincides with the desired direction of movement 22, is referred to below as the height direction 27 . This lies in or runs parallel to the main expansion planes 25 , 26 . The comb structures 15 , 16 engage in one another in the height direction 27 of the electrodes 17, 18.
Das Ventilglied 5 hat beim Ausführungsbeispiel eine längliche Gestalt, wobei die Bewegungsrichtung 22 quer und insbesondere rechtwinkelig zur Längsachse 28 des Ventilgliedes 5 verläuft. Das Ventilglied 5 hat vorzugsweise eine plattenartige Flach gestalt mit einer Haupterstreckungsebene 32, die rechtwinke lig zu den Hauptausdehnungsebenen 26 der an ihm vorgesehenen Elektroden 18 orientiert ist.In the exemplary embodiment, the valve member 5 has an elongated shape, the direction of movement 22 extending transversely and in particular at right angles to the longitudinal axis 28 of the valve member 5 . The valve member 5 preferably has a plate-like flat shape with a main extension plane 32 , which is oriented at right angles to the main expansion planes 26 of the electrodes 18 provided on it.
Zur optimalen Ausnutzung des Grundrisses des Ventilglied 5 ist die zugeordnete zweite Kammstruktur 16 so ausgebildet, daß ihre zweiten Elektroden 18 ebenfalls längliche Gestalt haben und in Längsrichtung des Ventilgliedes 5 verlaufen. Sie sind dabei mit ihrer einen randseitigen Längsseite am Ventil glied 5 angeordnet, während der andere Längsrand der ersten Kammstruktur 15 zugewandt ist. For optimal use of the outline of the valve member 5 , the assigned second comb structure 16 is designed such that its second electrodes 18 also have an elongated shape and extend in the longitudinal direction of the valve member 5 . They are arranged with their one edge-side longitudinal side on the valve member 5 , while the other longitudinal edge faces the first comb structure 15 .
Um eine weitere Miniaturisierung des Ventilaufbaues zu errei chen, können nach erfolgter Metallisierung der Elektrodenflä chen diese durch Aufgalvanisieren noch weiter strukturiert werden.To achieve a further miniaturization of the valve structure Chen, after metallization of the electrode surface They are structured even further by electroplating become.
Bevorzugt sind sowohl das Ventilgehäuse 2 als auch das Ven tilglied 5 einschließlich des Elektrodenkerns der einzelnen Elektroden 17, 18 aus Kunststoffmaterial gefertigt, wobei die für die Funktion der Comb-Drive-Antriebe erforderlichen Elektrodenflächen 23, 24 wie auch vorzugsweise die sonstigen elektrischen Leiter durch Metallisierung des Kunststoffmate rials erhalten sind. Dies schafft beispielsweise die Möglich keit, die einzelnen Komponenten in kostengünstiger Weise im Rahmen eines Kunststoff-Spritzgießverfahrens herzustellen, beispielsweise in sogenannter MID-Technologie (MOLDED INTERCONNECT DEVICE). Im Vergleich zu auf Silizium-Techno logie basierender Herstellung ermöglicht dies eine beträcht liche Kostenreduzierung.Both the valve housing 2 and the valve member 5 including the electrode core of the individual electrodes 17 , 18 are preferably made of plastic material, the electrode surfaces 23 , 24 required for the function of the comb-drive drives, as well as preferably the other electrical conductors, by means of metallization of the plastic material are preserved. This creates the possibility, for example, of producing the individual components in a cost-effective manner using a plastic injection molding process, for example using so-called MID technology (MOLDED INTERCONNECT DEVICE). Compared to manufacturing based on silicon technology, this enables a considerable cost reduction.
Alternativ wäre es auch denkbar, eine Herstellung unter Ver wendung der sogenannten LIGA-Technologie vorzunehmen, eine Abformtechnik, die in Verbindung mit Galvanoumformung und Li thografie zum Einsatz kommt.Alternatively, it would also be conceivable to manufacture under Ver using the so-called LIGA technology Impression technology used in connection with electroplating and Li thography is used.
Besonders einfach können die Elektrodenflächen 23, 24 dann realisiert werden, wenn die Kammstrukturen 15, 16 wie beim Ausführungsbeispiel jeweils als integrale bzw. einstückige Bestandteile des zugeordneten Ventilgehäuses 2 bzw. Ventilgliedes 5 ausgeführt sind. Durch vollflächige Metallisierung der den Innenraum 3 begrenzenden Innenfläche des Ventilgehäu ses 2 kann gleichzeitig die komplette Metallisierung der von der Wandung des Ventilgehäuses 2 nach innen zum Ventilglied 5 ragenden ersten Elektroden 17 erreicht werden. In gleicher Weise kann durch vollflächige Metallisierung der Außenfläche des Ventilgliedes 5 einschließlich der von diesem wegragenden Umfangsflächen der zweiten Elektroden 18 die gewünschte Leit fähigkeit der an letzteren vorgesehenen Elektrodenflächen 24 erhalten werden.The electrode surfaces 23 , 24 can be realized particularly easily if the comb structures 15 , 16 are each designed as integral or integral components of the associated valve housing 2 or valve member 5 , as in the exemplary embodiment. Through full-surface metallization of the interior surface 3 of the valve housing 2 delimiting the interior 3 , the complete metallization of the projecting from the wall of the valve housing 2 inwards to the valve member 5 can be achieved first electrodes 17 . In the same way, the desired conductivity of the electrode surfaces 24 provided on the latter can be obtained by full-surface metallization of the outer surface of the valve member 5 including the peripheral surfaces of the second electrodes 18 projecting therefrom.
Alternativ zu der erwähnten integralen Herstellung von Elekt roden und Ventilgehäuse bzw. Ventilglied wäre es auch mög lich, die Elektroden 17, 18 als separate Bauteile auszuführen und in geeigneter Weise am zugeordneten Träger, dem Ventilge häuse 2 oder dem Ventilglied 5, zu fixieren. In diesem Zusam menhang würde es sich insbesondere anbieten, die jeweilige Kammstruktur 15, 16 einschließlich der zugehörigen Elektroden 17, 18 als Baueinheit auszuführen und diese dann am zugeord neten Träger zu fixieren, beispielsweise durch Verkleben und/oder durch Einsetzen in eine entsprechend geformte Auf nahme (nicht dargestellt).As an alternative to the above-mentioned integral production of electrodes and valve housing or valve member, it would also be possible to design the electrodes 17 , 18 as separate components and to fix them in a suitable manner on the associated carrier, the valve housing 2 or the valve member 5 . In this context, it would be particularly appropriate to design the respective comb structure 15 , 16 including the associated electrodes 17 , 18 as a structural unit and then fix them to the associated carrier, for example by gluing and / or by inserting them into a correspondingly shaped receptacle (not shown).
Das Mikroventil 1 könnte ein Ventilglied 5 aufweisen, dessen Schaltbewegung eine rein translatorische Bewegung ist, bei spielsweise in einer Art und Weise, wie es aus der eingangs erwähnten EP 0 485 739 B1 hervorgeht. Das Ventilglied 5 könn te ein rechtwinkelig zu seiner Ausdehnungsebene bewegbarer Membran- oder Plattenkörper sein, dessen Abstand von der zu steuernden Ventilöffnung je nach Schaltstellung variiert. Ferner sei darauf verwiesen, daß die Antriebsmittel 12 anders als beim Ausführungsbeispiel auch lediglich einen einzigen Comb-Drive-Antrieb oder mehr als zwei Comb-Drive-Antriebe aufweisen können.The microvalve 1 could have a valve member 5 , the switching movement of which is a purely translatory movement, for example in a manner as is apparent from the aforementioned EP 0 485 739 B1. The valve member 5 could be a diaphragm or plate body movable at right angles to its plane of expansion, the distance from the valve opening to be controlled varies depending on the switching position. It should also be pointed out that, unlike in the exemplary embodiment, the drive means 12 can also have only a single comb-drive drive or more than two comb-drive drives.
Das Mikroventil 1 des Ausführungsbeispiels ist so konzipiert, daß die als Steuerbewegung bezeichenbare Umschaltbewegung des Ventilgliedes 5 eine Schwenkbewegung ist. Prinzipiell wäre hier eine Anordnung denkbar, bei der das Ventilglied 5 ein Biegeelement ist, das an einer Stelle eingespannt ist und durch den Comb-Drive-Antrieb im Bereich seines freien Endes zu einer Schwenkbewegung veranlasst werden kann. Im Gegensatz dazu ist das Ventilglied 5 des Ausführungsbeispiels an einer Lagerstelle 33 nach Art einer Wippe schwenkbar gelagert und verfügt über zwei ausgehend von der Lagerstelle 33 nach ent gegengesetzten Seiten wegragende Ventilgliedarme 34, 35, die sich bei der Betätigung des Ventilgliedes 5 gleichsinnig be wegen.The microvalve 1 of the exemplary embodiment is designed so that the switchover movement of the valve member 5 , which can be designated as a control movement, is a swiveling movement. In principle, an arrangement would be conceivable in which the valve member 5 is a bending element that is clamped at one point and can be caused to pivot by the comb-drive drive in the region of its free end. In contrast, the valve member 5 of the embodiment is pivotally mounted on a bearing 33 in the manner of a rocker and has two valve member arms 34 , 35 projecting from the bearing 33 towards opposite sides, which move in the same direction due to the actuation of the valve member 5 .
Beim Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß sich die steuer baren Ventilöffnungen 6a, 6b auf der gleichen Längsseite des länglichen Ventilgliedes 5 befinden, was folglich auch für die zugeordneten Verschlusspartien 8a, 8b gilt. Die Lager stelle 33 liegt, bezogen auf die Längsachse 28 des Ventil gliedes 5, zwischen den beiden Ventilöffnungen 6a, 6b. Dies hat zur Folge, daß bei der Betätigung des Ventilgliedes 5 die jeweils eine Verschlusspartie eine sich an die zugeordnete Ventilöffnung annähernde Schließbewegung ausführt, während die andere Verschlusspartie eine sich von der zugeordneten Ventilöffnung entfernende Öffnungsbewegung durchführt.In the embodiment, it is provided that the tax ble valve openings 6 a, 6 b are on the same long side of the elongated valve member 5 , which consequently also applies to the associated closure parts 8 a, 8 b. The bearing point 33 is, based on the longitudinal axis 28 of the valve member 5 , between the two valve openings 6 a, 6 b. The consequence of this is that when the valve member 5 is actuated, the respective closing part executes a closing movement which approximates the assigned valve opening, while the other closing part carries out an opening movement which moves away from the assigned valve opening.
Zweckmäßigerweise ist das Ventilgehäuse 2 derart in miteinan der verbundene Gehäuseelemente 36, 37 unterteilt, das die beiden steuerbaren Ventilöffnungen 6a, 6b an ein und dem sel ben Gehäuseelement 36 vorgesehen sind. Da die Drehlagerung des Ventilgliedes 5 im Bereich der Lagerstelle 33 ebenfalls am gleichen Gehäuseelement 36 stattfindet, bleibt der Abstand zwischen einer jeweiligen Ventilöffnung 6a, 6b und der zuge ordneten Verschlusspartie 8a, 8b auch unter Druckbelastung des Gehäuses konstant, was eine präzise Funktionsweise des Mikroventils gewährleistet.The valve housing 2 is expediently divided into housing elements 36 , 37 connected to one another in such a way that the two controllable valve openings 6 a, 6 b are provided on one and the same housing element 36 . Since the rotary bearing of the valve member 5 also takes place in the area of the bearing 33 on the same housing element 36 , the distance between a respective valve opening 6 a, 6 b and the associated closure part 8 a, 8 b remains constant even under pressure load on the housing, which is precise Functionality of the micro valve guaranteed.
Zur Drehlagerung ist beim Ausführungsbeispiel ein beispiels weise aus Metall und dabei insbesondere aus Stahl bestehender Achskörper 42 vorgesehen, an dem das Ventilglied 5 fixiert ist und der im Bereich der Lagerstelle 33 am Ventilgehäuse 2 so drehgelagert ist, daß die gewünschte Drehachse 43 für den Schwenkvorgang definiert wird. Der Achskörper kann endseitig im Fügebereich zwischen den beiden Gehäuseelementen 36, 37 eingelegt sein. Es kann sich um einen durchgehend linearen Achskörper oder um einen abgekröpften Achskörper 42 handeln, wie er in Fig. 2 angedeutet ist. Dabei ist eine einteilige oder mehrteilige Bauform möglich.For pivoting in the exemplary embodiment, for example made of metal and in particular steel existing axle body 42 is provided, on which the valve member 5 is fixed and which is pivotally mounted in the area of the bearing 33 on the valve housing 2 so that the desired axis of rotation 43 defines for the pivoting process becomes. The end of the axle body can be inserted in the joining area between the two housing elements 36 , 37 . It can be a continuously linear axle body or a cranked axle body 42 , as is indicated in FIG. 2. A one-part or multi-part design is possible.
Vorteilhaft ist es, wenn der Achskörper 42 zumindest partiell elektrisch leitfähig ist, so daß einer der elektrischen An schlüsse 13 mit ihm verbunden sein kann, um die Kontaktierung der am Ventilglied 5 vorgesehenen zweiten Elektroden 18 zu realisieren. Dabei kann der Achskörper 42 aus geeignetem Me tall, beispielsweise aus Stahl bestehen, das zu Isolation mit Kunststoffmaterial umspritzt ist. Denkbar wäre aber auch ein insgesamt aus Kunststoffmaterial bestehender Achskörper, der vorzugsweise einstückig mit dem Ventilglied 5 verbunden ist.It is advantageous if the axle body 42 is at least partially electrically conductive, so that one of the electrical connections 13 can be connected to it in order to make contact with the second electrodes 18 provided on the valve member 5 . The axle body 42 can be made of suitable metal, for example made of steel, which is encapsulated with plastic material for insulation. However, it would also be conceivable to have an axle body made entirely of plastic material, which is preferably connected in one piece to the valve member 5 .
Die Antriebsmittel 12 sind beim Ausführungsbeispiel so pla ziert, daß jedem Ventilgliedarm 34, 35 einer der Comb-Drive- Antriebe 14a, 14b zugeordnet ist. Diese sind so angeordnet und derart elektrisch verschaltet, daß die von ihnen auf das Ventilglied 5 ausübbare Betätigungskraft im gleichen Schwenk sinne wirksam ist. Erreicht wird dies dadurch, daß die beiden Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b mit Bezug zur Längsachse 28 des Ventilgliedes 5 auf einander entgegengesetzten Längsseiten plaziert sind. Auf jeder Seite der Haupterstreckungsebene 32 liegt einer der Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b.The drive means 12 are placed in the embodiment so that each valve member arm 34 , 35 is assigned to one of the comb-drive drives 14 a, 14 b. These are arranged and electrically connected such that the actuating force they can exert on the valve member 5 is effective in the same pivoting sense. This is achieved in that the two comb-drive drives 14 a, 14 b are placed on opposite longitudinal sides with respect to the longitudinal axis 28 of the valve member 5 . On each side of the main extension plane 32 is one of the comb drive 14 a, 14 b.
Da die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b somit nur in einer Betä tigungsrichtung eine Betätigungskraft ausüben können, sind zusätzlich Federmittel 44 vorgesehen, die das Ventilglied 5 in eine Ausgangsstellung vorspannen. Die Federmittel 44 wir ken zwischen dem Ventilglied 5 und dem Ventilgehäuse 2 und erzeugen eine Rückstellkraft, die der Betätigungskraft der Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b entgegengesetzt ist. Es wäre möglich, die Federmittel 44 mit dem Achskörper 42 zu kombi nieren und diesen beispielsweise nach Art einer Torsionsfeder auszubilden. Since the comb-drive drives 14 a, 14 b can thus only exert an actuating force in one actuation direction, spring means 44 are additionally provided which bias the valve member 5 into an initial position. The spring means 44 we ken between the valve member 5 and the valve housing 2 and generate a restoring force which is opposite to the actuating force of the comb-drive drives 14 a, 14 b. It would be possible to combine the spring means 44 with the axle body 42 and to form this, for example, in the manner of a torsion spring.
Es wäre auch denkbar, die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b so zu plazieren und auszubilden, daß die von ihnen erzeugbaren Be tätigungskräfte in entgegengesetztem Schwenksinne auf das Ventilglied 5 einwirken. Erreichbar ist dies beispielsweise dadurch, daß beide Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b auf der glei chen Längsseite des Ventilgliedes 5 plaziert werden, wobei sie weiterhin mit unterschiedlichen der beiden Ventilgliedar me 34, 35 kooperieren. Es wäre dann eine alternative Betäti gung möglich, um jeweils wahlweise eine von zwei Schaltstel lungen vorzugeben. In einem solchen Falle könnte auf separate Federmittel verzichtet werden, wenngleich diese stets empfeh lenswert sind, um eine definierte Ausgangsstellung auch im deaktivierten Zustand der elektrostatisch wirksamen Antriebs mittel 12 zu gewährleisten.It would also be conceivable to place and design the comb-drive drives 14 a, 14 b in such a way that the actuating forces which can be generated by them act in opposite pivoting directions on the valve member 5 . This can be achieved, for example, in that both comb-drive drives 14 a, 14 b are placed on the long side of the valve member 5 , while they continue to cooperate with different ones of the two valve members 34 , 35 . An alternative actuation would then be possible in order to select one of two switch positions. In such a case, separate spring means could be dispensed with, although these are always recommended in order to ensure a defined starting position, even in the deactivated state of the electrostatically active drive means 12 .
Zum Betrieb des Mikroventils 1 wird an die ersten und zweiten Elektroden 17, 18 der beiden Kammstrukturen 15, 16 eine e lektrische Spannung angelegt, wobei die Potentialdifferenz die Ausbildung elektrischer Felder zwischen den sich jeweils gegenüberliegenden Elektrodenflächen 23, 24 bewirkt. Die hierbei entstehenden, rechtwinkelig zu den Hauptausdehnungs ebenen 25, 26 wirksamen Kräfte gleichen sich aus oder werden zumindest teilweise dadurch kompensiert, daß das Ventilglied 5 am Ventilgehäuse 2 in Achsrichtung der Drehachse 43 im we sentlichen unbeweglich fixiert ist. Zusätzlich bewirken die elektrischen Felder aber auch noch Betätigungskräfte B, die in der oben erwähnten Höhenrichtung 27 wirksam sind und da nach trachten, die beiden Kammstrukturen 15, 16 mit den freien Elektrodenenden voraus ineinander zu ziehen. Diese Kräfte sind die für die Betätigung des Ventilgliedes 5 im vorliegen den Fall relevanten Stellkräfte. Sie sind bezogen auf das von den Elektroden 17, 18 eingenommenen Volumen relativ groß, was durch die relativ großen wirksamen Elektrodenflächen 23, 24 bewirkt wird. Es können auf diese Weise trotz kleiner Baugrö ße hohe Stellkräfte erzeugt werden.To operate the microvalve 1 , an electrical voltage is applied to the first and second electrodes 17 , 18 of the two comb structures 15 , 16 , the potential difference causing the formation of electric fields between the respective opposite electrode surfaces 23 , 24 . The resulting, perpendicular to the main expansion planes 25 , 26 effective forces equalize or are at least partially compensated for by the fact that the valve member 5 on the valve housing 2 is fixed immovably in the axial direction of the axis of rotation 43 . In addition, the electric fields also cause actuation forces B, which are effective in the above-mentioned height direction 27 and seek to pull the two comb structures 15 , 16 into one another with the free electrode ends. These forces are the actuating forces relevant to the actuation of the valve member 5 in the present case. They are relatively large in relation to the volume occupied by the electrodes 17 , 18 , which is caused by the relatively large effective electrode areas 23 , 24 . In this way, high actuating forces can be generated despite the small size.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 werden die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b von dem das Ventilgehäuse 2 durchströmenden Fluid ebenfalls umströmt. Bei einer in Fig. 4 angedeuteten Ausführungsform ist dies nicht der Fall, da hier die vorhandenen Comb-Drive-Antriebe außerhalb den vom zu steuernden Fluid durchströmten Bereichen des Ventilgehäuses 2 untergebracht sind. Auf diese Weise wird eine Beeinträchti gung der Funktion der Comb-Drive-Antriebe verhindert.In the embodiment of FIGS. 1 to 3, the comb-drive drives 14 a, 14 b are also flowed around by the fluid flowing through the valve housing 2 . In the case of an embodiment indicated in FIG. 4, this is not the case since the existing comb drive drives are accommodated outside the regions of the valve housing 2 through which the fluid to be controlled flows. In this way, an impairment of the function of the comb drive drives is prevented.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die mit dem ande ren Ausführungsbeispiel übereinstimmenden Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Erkennbar ist hier jedoch das Ventilglied 5 in einen Steuerabschnitt 45 und einen Betä tigungsabschnitt 46 unterteilt, wobei der Steuerabschnitt 45 die Verschlusspartien 8a, 8b trägt und die Comb-Drive- Antriebe 14a, 14b dem Betätigungsabschnitt 46 zugeordnet sind. Eine im Innern des Ventilgehäuses 2 vorgesehene Trenn wand 47 unterteilt den Innenraum 3 fluiddicht in eine Betäti gungskammer 48 und eine Steuerkammer 49, wobei der Steuerab schnitt 45 in der Steuerkammer 49 und der Betätigungsab schnitt 46 in der Betätigungskammer 48 untergebracht ist. In the embodiment according to FIG. 4, the components corresponding to the other embodiment are provided with the same reference numerals. However, it can be seen here that the valve member 5 is divided into a control section 45 and an actuation section 46 , the control section 45 carrying the closure parts 8 a, 8 b and the comb-drive drives 14 a, 14 b being assigned to the actuation section 46 . An inside the valve housing 2 provided partition 47 divides the interior 3 fluid-tight into a actuation supply chamber 48 and a control chamber 49 , the Steuerab section 45 in the control chamber 49 and the actuation section 46 is housed in the actuation chamber 48 .
Die Comb-Drive-Antriebe 14a, 14b befinden sich in der Betäti gungskammer 48 und kooperieren mit dem Betätigungsabschnitt 46 des Ventilgliedes 5. Sämtliche Ventilkanäle 4 münden in die Steuerkammer 49, so daß die Betätigungskammer 48 fluid dicht von den Fluidströmen abgeschottet ist.The comb-drive drives 14 a, 14 b are in the actuation supply chamber 48 and cooperate with the actuating section 46 of the valve member 5 . All valve channels 4 open into the control chamber 49 , so that the actuation chamber 48 is sealed off from the fluid flows in a fluid-tight manner.
Beim Ausführungsbeispiel besteht der Steuerabschnitt 45 aus einem Endabschnitt des Achskörpers 42, der die Trennwand 47 drehbeweglich unter Abdichtung durchsetzt. Der Achskörper 42 trägt an in Umfangsrichtung versetzten Stellen die Ver schlusspartien 8a, 8b, die in Fig. 4 gestrichelt abgebildet sind, weil sie sich auf der vom Betrachter abgewandten Um fangsseite des Achskörpers 42 befinden. Die diesen Ver schlusspartien 8a, 8b zugewandten Ventilöffnungen werden in Fig. 4 vom Achskörper 42 verdeckt und sind daher nicht sichtbar.In the exemplary embodiment, the control section 45 consists of an end section of the axle body 42 , which rotatably passes through the partition wall 47 with a seal. The axle body 42 carries at circumferentially offset locations, the closure parts 8 a, 8 b, which are shown in broken lines in FIG. 4, because they are on the circumferential side of the axle body 42 facing away from the viewer. The valve parts 8 a, 8 b facing these Ver are covered in Fig. 4 by the axle body 42 and are therefore not visible.
Zu den Ausführungsbeispielen kann nochmals zusammenfassend festgehalten werden, daß es sich um Mikroventile handelt, die insbesondere auf Basis der MID-Technologie ausgeführt sind und eine elektrostatische Aktorik mit einem oder mehreren Comb-Drive-Antrieben aufweisen. Durch die Schwenkbeweglich keit des Ventilgliedes 5 ergibt sich eine Art Wippen- Konstruktion, wobei das Ventilglied integrierte Elektroden kamm-Strukturen aufweisen kann. Die Wippe (Ventilglied) be steht insbesondere aus vollständig metallisierbarem Kunst stoffmaterial, das in Spritzgusstechnik hergestellt werden kann. Die Dichtkraft bei der Wippenanordnung wird unter Ausnutzung der vorhandenen Hebelarme erzeugt, wobei sich optima le Kräfteverhältnisse dadurch ergeben, daß der Abstand der Verschlusspartien 8a, 8b von der Drehachse 43 geringer ist als derjenige des Krafteinleitungszentrums der Comb-Drive- Antriebe 14a, 14b.As regards the exemplary embodiments, it can be summarized once again that these are microvalves, which are in particular based on MID technology and have electrostatic actuators with one or more comb-drive drives. The pivoting speed of the valve member 5 results in a type of rocker construction, the valve member being able to have integrated electrode comb structures. The rocker (valve member) is in particular made of completely metallizable plastic material that can be manufactured using injection molding technology. The sealing force in the rocker arrangement is generated using the existing lever arms, with optimal force relationships resulting from the fact that the distance between the closure parts 8 a, 8 b from the axis of rotation 43 is less than that of the force introduction center of the comb drive drives 14 a, 14 b.
Das Mikroventil kann beispielsweise für einen Druckbereich bis 10 bar ausgelegt sein. Bedingt durch die vorteilhafte An triebstechnik lässt es sich mit geringen Ansteuerspannungen betreiben, beispielsweise mit 24 Volt oder 48 Volt, wobei auf jeden Fall eine obere Grenze von maximal 60 Volt einhaltbar ist, um auf aufwendige Schutzmaßnahmen verzichten zu können.The microvalve can be used, for example, for a pressure range be designed up to 10 bar. Due to the advantageous type drive technology, it can be operated with low control voltages operate, for example with 24 volts or 48 volts, with in any case, an upper limit of a maximum of 60 volts can be observed is to be able to dispense with complex protective measures.
Die Metallisierung der zugehörigen Komponenten kann galva nisch erfolgen.The metallization of the associated components can be galva niche.
Sind die Elektroden zum einen in das Ventilgehäuse und zum anderen in das Ventilglied integriert, kann eine sehr exakte Fertigung gewährleistet werden, was beim Zusammenbau des Ven tils die Realisierung sehr geringer Spaltabstände ermöglicht. Sind die gewünschten minimalen Spaltabstände durch Spritz gusstechnik nicht ohne weiteres machbar, kann durch Galvani sieren entsprechend hoher Metallschichtdicken der gewünschte geringe Spaltabstand realisiert werden. Der geringe Elektro denabstand hat wiederum den Vorteil, daß nur geringe Schalt spannungen erforderlich sind.Are the electrodes on the one hand in the valve housing and on the other others integrated into the valve member can be a very exact Manufacturing can be guaranteed what when assembling the Ven tils enables the realization of very small gap distances. Are the required minimum gap distances by spray Casting technology not easily feasible, can be done by electroplating correspondingly high metal layer thicknesses of the desired small gap distance can be realized. The little electric denabstand again has the advantage that only small switching tensions are required.
Befindet sich die elektrostatische Antriebstechnik in einem von den Fluidströmen abgetrennten Bereich, wird einer Verschmutzung der Elektroden entgegengewirkt, die die relative Beweglichkeit derselben beeinträchtigen könnte.The electrostatic drive technology is in one area separated from the fluid streams becomes contaminated counteracted the electrodes, the relative Could impair mobility.
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- 2000-09-25 DE DE2000147705 patent/DE10047705A1/en not_active Ceased
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